3. Функциональные наноматериалы для энергетики
| Вид материала | Документы |
Содержание3.3.3.3 Солнечные батареи на основе кремниевой нанопроволоки 3.3.3.4 Гибкие солнечные батареи, изготовленные ламинированием |
- *Современные проблемы физики полимеров и кристаллов, проф. Хохлов, 77.6kb.
- 6-ая международная конференция, 47.17kb.
- Задача отечественной экономики Косынкин В. Д., Оао «вниихт», 222.16kb.
- Программа Школы-семинара будет включать в себя пленарное и секционные заседания. Будут, 36.64kb.
- 7-я Международная конференция, 129.42kb.
- «Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника,, 61.66kb.
- «Полимеры и наноматериалы», 38.29kb.
- «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология. Конструкционные, 31.54kb.
- Цель конференции Конференция призвана обеспечить квалифицированное обсуждение и координацию, 81.19kb.
- Цель конференции Конференция призвана с привлечением и при активном участии молодых, 89.39kb.
3.3.3.3 Солнечные батареи на основе кремниевой нанопроволокиНа сегодняшний день подавляющее большинство солнечных батарей, которые можно встретить на рынке, основаны на кристаллическом кремнии, оксиде цинка, титане, однако их характеристики оставляют желать лучшего. Учёные всё больше и больше интересуются устройствами на основе тонких плёнок (так называемое второе поколение солнечных батарей) и устройствами с высокой эффективностью и малой стоимостью (третье поколение). Создание некоторых из них, конечно же, требует использования наноструктур. Удачно подобранная геометрия таких структур может сократить путь, который должен пройти носитель заряда, и соответственно, увеличить эффективность. Группа учёных из General Electric предложила новый подход в создании солнечных батарей. На химически очищенную фольгу из нержавеющей стали с помощью осаждения методом распыления наносился слой Ta2N толщиной 100 нм. Эта плёнка играет роль как контакта на тыльной стороне солнечной батареи, так и диффузионного барьера во время роста нанопроволоки. Затем на нанесённых каплях золота из смеси силана, водорода, HCl и триметилбора при температуре 650°С в течение 30 минут по механизму ПЖК выращивается кремниевая нанопроволока с проводимостью р-типа (диаметр ~100 нм, длина ~16 микрон). После этого проводится отжиг при 800°С с последующим удалением оксидного слоя. Затем нанопроволока методом PECVD покрывается аморфным кремнием (проводником n-типа) толщиной 40 нм. Это необходимо для создания фотоактивного р-n-перехода. Затем методом напыления наносится ITO для электрического связывания нанопроволочек. И, наконец, изготавливаются верхние электроды (рис. 24). Введение в структуру солнечной батареи аморфного кремния, по мнению учёных, должно способствовать снижению безызлучательных рекомбинаций на поверхности. В результате проведённых экспериментов учёные установили, что по большинству показателей их устройство сравнимо с коммерческими аналогами, а по некоторым даже превосходит их. К примеру, зеркальное отражение для собранной учёными солнечной батареи оказалось на порядок ниже, чем для коммерческого аналога (рис.25,26). Однако существует множество факторов, которые могут снизить эффективность солнечной батареи: геометрия нанопроволочек, катализ роста наноструктур с помощью золота, материал контакта на тыльной стороне солнечной батареи, хотя учённые надеются, что значительное количество Ta не сможет продиффундировать в толщу кремниевого слоя. Дальнейшие разработки в этой области, как считают учёные, помогут создать по-настоящему недорогие и высокоэффективные солнечные батареи. ссылка скрыта Рисисунок 24 - Структура неорганической солнечной батареи на основе кремниевой нанопроволоки. (а) схематическое представление архитектуры такой батареи, массив из нанопроволок покрыт тонким слоем аморфного кремния; (b) SEM-изображения массива из нанопроволочек. ссылка скрыта Рисунок 25 - Оптические характеристики солнечных батарей на основе кремниевых нанопроволочек. (a) Значительное снижение зеркального отражения (логарифмическая шкала) нанопроволочек (зелёный) по сравнению с тонкой плёнкой p-i-n аморфного кремния (синий); (b) Фотография планарной солнечной батареи на основе аморфного кремния (слева) и солнечной батареи на основе кремниевых нанопроволочек. Оба устройства имеют площадь 1 см2 и не имеют противоотражающиего слоя. ссылка скрыта Рисунок 26 - Оптоэлектрические свойства солнечной батареи на основе кремниевых нанопроволочек с подложкой из нержавеющей стали. (a) Вольт-амперная характеристика такой солнечной батареи; (b) Внешняя квантовая эффективность для таких устройств. 3.3.3.4 Гибкие солнечные батареи, изготовленные ламинированиемПредполагается, что для более эффективного использования солнечной энергии можно создать устройство, состоящее из нескольких слоёв, каждый из которых поглощал бы только в определённой области спектра, оставаясь при этом прозрачным для остальных длин волн. Таким образом, солнечный свет, пройдя несколько таких слоёв, будет способен практически полностью превратиться в электрическую энергию. Для изготовления таких батарей недавно был предложен новый процесс ламинирования. Он позволяет не только максимально упростить изготовление солнечных батарей, но и решить важнейшую задачу – обеспечение механического и электрического контакта между активным слоем и катодом. Процесс изготовления таких солнечных батарей состоит из 3 частей (рис.27). На первой стадии две прозрачные подложки покрывают прозрачным проводником, таким, как ITO(оксид индия-олова), FTO(оксид олова, допированный фторидом) или каким-либо проводящим полимером. На второй стадии одну из подложек покрывают очень тонким буферным слоем Cs2CO3. Этот карбонат выступает в качестве катода с низкой работой выхода. Третья стадия заключается в нанесении проводящего клея на другую пластинку. В качестве клея был взят полиэтилендиокситиофен:полистиролсульфонат с добавлением D-сорбита. Однако он не обладает достаточной проводимостью, поэтому для увеличения эффективности солнечной батареи применялся поли(3-гексилтиофен) - сложный эфир метил -фенил-С61-маслянной кислоты, нанесенный слоем толщиной 20 нм. И, наконец, на последней стадии процесса проводилась, собственно, процедура ламинирования. После высушивания две пластинки были склеены вместе и прокатаны. В ходе прокатки две подложки нагревали до 105-120°С и затем выдерживали при этой температуре в течение 5-10 минут. Проведённые исследования показали, что полученные таким образом батареи конкурентоспособны по сравнению с солнечными батареями, изготовленными по обычной технологии. Авторы работы уверены в том, что развитие данной технологии солнечных батарей позволит не только значительно уменьшить их стоимость, но и создать солнечные батареи с высокой прозрачностью для применения в самых различных отраслях науки и техники. Возможно, что именно этот метод станет основным для получения дешёвых, прозрачных и гибких солнечных батарей. ссылка скрыта Риунок 27 - а) Схема изготовления устройства (polymer blend-дополнительная полимерная смесь для увеличения эффективности устройства); b)фотография одного из устройств; c) прозрачность устройства и солнечный спектр. ссылка скрыта Рисунок 28 - a) Фототок при облучении с лицевой и обратной стороны устройства, b) Внешний квантовый выход устройства с белым листом бумаги позади (для увеличения эффективности, отражённый свет опять попадает в устройство)и без него; c) фотоЭДС, фактор заполнения и эффективность такого рода устройств при освещении белым светом с интенсивностью 1-2000мВт/см2. |